激光致熔池圖像獲取及質(zhì)心提取方法研究

王邦國(guó)

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

1 引言

激光焊接具有能量密度高、焊件熱變形小和焊接速度快等特點(diǎn)，是金屬連接中常用的焊接方法，并越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域關(guān)鍵部件的制造[1-3]。焊接過(guò)程中激光光束作用在待焊件表面時(shí)，會(huì)造成待焊工件形狀改變，并使焊縫的間隙和位置發(fā)生變化。由于激光焊接時(shí)激光束作用區(qū)域較小，焊縫位置的改變會(huì)影響焊接質(zhì)量，甚至使焊接失效。為提高焊接質(zhì)量，需要在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)采集熔池信息，檢測(cè)熔池中心與焊縫之間的偏差，并根據(jù)偏差在焊接過(guò)程中對(duì)焊接位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

激光焊接的環(huán)境較為惡劣，焊接位置信息因受到高溫、塵屑、飛濺和熔焰等干擾因素的影響，造成提取困難。為消除各類型干擾對(duì)激光焊接中焊接位置信息采集和處理的影響，國(guó)內(nèi)外研究人員已開(kāi)展了相關(guān)研究[4]。文獻(xiàn)[5-7]應(yīng)用激光器投射線結(jié)構(gòu)光在焊縫上，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)光條紋的檢測(cè)得到焊縫位置信息，根據(jù)焊接位置與焊縫位置的偏差實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整。由于檢測(cè)的焊縫位置超前于焊接位置，該方法會(huì)造成系統(tǒng)性偏差。文獻(xiàn)[8]提出利用環(huán)形激光視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)焊縫三維信息的檢測(cè)，該方法利用光線掃描方法，通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)恒定高度上環(huán)形激光軌跡。文獻(xiàn)[9]提出了一種用于激光拼焊的焊縫跟蹤視覺(jué)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用視覺(jué)傳感器采集焊池輻射光線成像。系統(tǒng)主要通過(guò)控制視覺(jué)傳感器快門的開(kāi)啟時(shí)刻和持續(xù)視覺(jué)，以減少焊池輻射光線對(duì)采集圖像質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[10]利用磁光方法對(duì)微間隙成像，在焊接過(guò)程中將磁光傳感器放置于焊縫上方，磁場(chǎng)激勵(lì)器安裝在焊件下方，位于焊件上方的單色高功率二極管發(fā)射光線經(jīng)起偏器偏振照射在反射面后被反射，由于焊縫處磁場(chǎng)的影響，反射的偏振光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的光線被偏振器檢偏后并被傳感器接收形成焊縫磁光圖像。該方法主要用于檢測(cè)焊縫位置信息。

因此，在焊接過(guò)程中，獲取焊接位置信息是研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。為實(shí)現(xiàn)焊接偏差的校正，對(duì)激光致熔池圖像提取方法和熔池中心計(jì)算方法進(jìn)行了研究。

2 薄板激光拼焊系統(tǒng)構(gòu)建

激光拼焊中使用的多功能數(shù)控焊接機(jī)床型號(hào)為JHM-1GXY-700B，與焊接機(jī)床配套使用的系統(tǒng)還包括：焊接電源系統(tǒng)、控制臺(tái)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。焊接用大功率激光器安裝在數(shù)控機(jī)床的Z軸上，并可沿Z軸上下移動(dòng)。焊接過(guò)程中焊件可放置于焊接臺(tái)上，焊接臺(tái)可沿X軸和Y軸方向移動(dòng)。

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在焊接頭上，構(gòu)建的激光拼焊視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。由于激光焊接中熔池輻射光線較強(qiáng)，直接在焊接過(guò)程中使用工業(yè)CCD拍攝的熔池圖像無(wú)法進(jìn)行處理，并獲取熔池的有用信息。為減小輻射光線對(duì)工業(yè)CCD相機(jī)拍攝圖像的影響，需要在工業(yè)CCD鏡頭前加裝濾光片。為實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，需要對(duì)熔池輻射光線的光譜特性、工業(yè)CCD相機(jī)的光譜響應(yīng)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上選擇濾光片以獲取熔池清晰圖像，并對(duì)獲取圖像中熔池的中心提取方法進(jìn)行研究。

圖1 激光拼焊視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The Vision Monitoring System of Laser Welding

3 激光拼焊中熔池圖像的獲取

激光焊接中激光束作用在焊接區(qū)域形成熔池，若將高溫熔池看做黑體，則高溫熔池輻射力隨表面溫度變化的規(guī)律符合斯蒂芬-波爾茲曼（Stenfan-Boltzmann）定律，斯蒂芬-波爾茲曼定律描述為

式中：σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10W/（m·K）；c0—黑體輻射系數(shù)，其值為5.67W/（m2·K4）；T—黑體的熱力學(xué)溫度，單位為K。

由式（1）可知，熔池輻射的總能量Eb與黑體絕對(duì)溫度T的四次方成正比，即熔池的溫度越高其輻射的能量也越高。為在焊接中獲取熔池的清晰圖像，除需確定總輻射能量外，還需要確定熔池輻射的能量隨波長(zhǎng)變化規(guī)律。黑體輻射力隨波長(zhǎng)及溫度變化規(guī)律可由普朗克定理（Planck）描述，普朗克定理如下：

式中：λ—波長(zhǎng)，單位為m；T—黑體溫度，單位為K；c1—第一輻射常數(shù)，其值為 3.7419×10-16W·m2；c2—第二輻射常數(shù)，其值為 1.4388×10-2W·K；Ebλ的單位為 W/m2·m。

圖2 黑體輻射能量曲線Fig.2 Radiation Energy Curve of Blackbody

根據(jù)普朗克定理繪制的黑體輻射能量曲線，如圖2所示。圖中的橫坐標(biāo)表示輻射光線的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示各波長(zhǎng)輻射能量，橫坐標(biāo)的單位為nm。圖中包含了兩條曲線，這兩條曲線對(duì)應(yīng)的黑體溫度T分別為1400K和1200K。從圖中可知，黑體溫度越高則各波長(zhǎng)上輻射的能量也越高。斯蒂芬-波爾茲曼定律與普朗克定理的關(guān)系為：

該關(guān)系式可描述為：某一溫度的黑體，其輻射力等于該溫度對(duì)應(yīng)的由普朗克定理所求曲線下的面積。溫度越高，則輻射力越大。實(shí)際材料表面在不同波長(zhǎng)下光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化較大且不規(guī)則，并且各波長(zhǎng)輻射能量比普朗克定理計(jì)算出的值小。激光對(duì)接焊過(guò)程中，激光束照射在焊件表面，金屬材料吸收熱量形成熔融金屬，相同溫度下熔融金屬在各波長(zhǎng)輻射的能量雖然較黑體輻射的能量小，但由于熔融金屬溫度高，輻射的能量強(qiáng)。為減小熔池輻射光線的強(qiáng)度，選擇使用截止波長(zhǎng)為430nm的短波通濾光片。

相機(jī)鏡頭前加裝截止波長(zhǎng)為430nm的短波通濾光片后，可拍攝熔池圖像。拍攝時(shí)激光束作用在平面不銹鋼板304上，熔化金屬，為消除噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響，用（3×3）均值濾波器濾除噪聲，均值濾波后的熔池區(qū)域圖像，如圖3（a）所示。

4 熔池質(zhì)心的提取

4.1 熔池邊緣點(diǎn)的確定

為對(duì)熔池中心提取方法進(jìn)行研究，試驗(yàn)中使激光束直接作用在鋼板上。由于工業(yè)CCD相機(jī)的光軸與焊接激光光束夾角較小，工業(yè)CCD拍攝的熔池圖像近似為圓形。為得到熔池中心，需要先確定熔池的質(zhì)心和邊緣。為初步確定熔池的質(zhì)心，在熔池圖像3中沿水平方向搜索，確定圖像中各行灰度值大于150的像素個(gè)數(shù)?；叶戎荡笥?50像素?cái)?shù)最多的行的位置，如圖3（a）所示。該行上各像素的灰度值，如圖3（b）所示。如圖3（a）所示，從左向右沿圖示直線第1個(gè)灰度值大于150的像素位置為Pt1，最后一個(gè)灰度值大于150的像素位置為Pt2，兩像素中心的位置在O′。

圖3 初步確定熔池質(zhì)心Fig.3 Preliminary Determination Centroid of Weld Pool Image

得到熔池的質(zhì)心后應(yīng)用形態(tài)學(xué)方法計(jì)算熔池的邊緣，形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)主要利用形態(tài)梯度概念，單尺度形態(tài)學(xué)梯度定義為：

式中：f（x，y）—熔池圖像；g—結(jié)構(gòu)元素；f⊕g—結(jié)構(gòu)元素g對(duì)熔池圖像進(jìn)行膨脹；f⊙g—結(jié)構(gòu)元素對(duì)熔池圖像g進(jìn)行腐蝕。

結(jié)構(gòu)元素為3×3單位矩陣。單尺度形態(tài)學(xué)檢測(cè)的熔池邊緣，如圖 4（a）所示。圖 4（b）為圖 4（a）中橫線上各像素的灰度值。由于熔池的邊緣近似為圓形，無(wú)法直接僅在橫向和縱向搜索各行或各列得到熔池的邊緣點(diǎn)。為有效獲取熔池邊緣，現(xiàn)將邊緣分成若干部分，分別求取各部分的邊緣后得到熔池的邊緣。

圖4 單尺度形態(tài)學(xué)方法提取的熔池邊緣Fig.4 The Acquired Molten Pool Edge Using the Single Scale Morphological Method

熔池圖像中構(gòu)建了坐標(biāo)系O1xy，坐標(biāo)系的原點(diǎn)O1位于圖像左上角，橫坐標(biāo)方向?yàn)閤軸，縱坐標(biāo)方向?yàn)閥軸，坐標(biāo)系在熔池圖像中的位置，如圖4（a）所示。由圖4（b）可知，O′兩側(cè)各有一個(gè)峰值點(diǎn)，兩側(cè)的峰值點(diǎn)為熔池的邊緣點(diǎn)。O′為起始點(diǎn)分別向左和向右兩側(cè)搜索可得到邊緣點(diǎn)PL和PR。為有效提取邊緣點(diǎn)，以PL和O′的中點(diǎn)為起點(diǎn)，分別向上和向下搜索得到峰值點(diǎn)P1和P2。同樣方法，以O(shè)′和PR的中點(diǎn)為起點(diǎn)，分別向上和向下搜索得到峰值點(diǎn)P3和 P4。

P1和 P2在 O1xy坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為（x1，y1）和（x2，y2），以P1和P2的縱坐標(biāo)為起點(diǎn)和終點(diǎn)，在橫坐標(biāo)方向通過(guò)搜索峰值確定曲線段P1PLP2上的熔池邊緣點(diǎn)。具體步驟如下：

（1）以 P1為起點(diǎn)，為得到 y1+1 行上的邊緣點(diǎn)，以點(diǎn)（x1，y1+1）為中心沿x軸在該點(diǎn)左右兩側(cè)各取n個(gè)像素，共得2n+1個(gè)像素；在此可取n=4；

（2）求2n+1個(gè)像素中灰度最大值像素的序位m，從而可確定 y1+1 行上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)（xt1，yt1）；其中 yt1=y1+1，xt1=x1-n+m-1。

圖5 熔池邊緣點(diǎn)Fig.5 The Acquired Edge of Molten Pool

求得y1+1行上的熔池邊緣點(diǎn)后，按照上述步驟可求yt1+1行上熔池的邊緣點(diǎn)，以此方法向下搜索直到縱坐標(biāo)的值為y2時(shí)為止。以P3和P4的縱坐標(biāo)為起點(diǎn)和終點(diǎn)，按上述方法在橫坐標(biāo)方向上搜索峰值點(diǎn)，可得到曲線段P3PRP4上的熔池邊緣點(diǎn)。曲線段P1P3和P2P4上熔池邊緣點(diǎn)也可用上述方法求的，只是在確定熔池邊緣點(diǎn)（xw1，yw1）后，求下一個(gè)熔池邊緣點(diǎn)時(shí)，是以點(diǎn)（xw1+，yw1）為中心沿y軸上下兩側(cè)各取n個(gè)像素，確定灰度最大值像素序位后，即可得到xw1+1列上熔池邊緣坐標(biāo)。搜索得到的熔池邊緣點(diǎn)，如圖5所示。其中圖5（a）為在熔池邊緣圖像中顯示提取的邊緣點(diǎn)，圖5（b）為在原圖像中顯示提取的熔池邊緣點(diǎn)，所提取的邊緣點(diǎn)精度均為像素級(jí)。

4.2 擬合求熔池的質(zhì)心

根據(jù)熔池的形狀，利用最小二乘法將提取的熔池邊緣點(diǎn)擬合為圓，設(shè)熔池邊緣點(diǎn)為，（xi，yi），i∈（1，2，3…N）；N 為提取的熔池邊緣點(diǎn)數(shù)量。圓的曲線表示為，（x-tx）+（y-ty）=r2；r為半徑，（tx，ty）為圓心。將圓的表達(dá)式展開(kāi)，展開(kāi)后的表達(dá)式為y+k3=0。邊緣點(diǎn)（xi，yi）到圓心的距離為點(diǎn)（xi，yi）到圓邊緣距離的平方與半徑平方的差表示為，δi=d2i-r2對(duì)各點(diǎn)求 δi，各點(diǎn)所求值的和用 T（k1，k2，k3）表示，T（k1，k2，k3）的表達(dá)式為，T（k1，k2，k3）=利用式 T（k1，k2，k3）分別對(duì) k1、k2和 k3求偏導(dǎo)數(shù)，并令偏導(dǎo)數(shù)等于零，比較得到的極值點(diǎn)的函數(shù)值，求最小值即為 k1、k2和 k3的值。

為去除誤差較大的邊緣點(diǎn)，計(jì)算各邊緣點(diǎn)到擬合圓圓心的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度與擬合圓半徑差的絕對(duì)值表示為wi，i∈（1，2，3…N），并將該距離與設(shè)定閾值τ比較。若wi＞τ則認(rèn)為誤差較大，并刪除該邊緣點(diǎn)。閾值，即τ的大小是各邊緣點(diǎn)到擬合圓距離均值的1.5倍。利用剩余邊緣點(diǎn)按上述步驟進(jìn)行圓的擬合，可求圓表達(dá)式中各項(xiàng)系數(shù)，圓心即為熔池質(zhì)心。擬合得到的圓及熔池質(zhì)心，如圖6所示。其中，O為擬合得到的熔池質(zhì)心。

圖6 圓擬合得到熔池質(zhì)心Fig.6 The Acquired Molten Pool Centroid Through Circle Fitting

5 結(jié)論

為消除熔池輻射光線以及外界干擾光線對(duì)拍攝圖像的影響，并在激光焊接過(guò)程中獲得熔池的清晰圖像，在分析激光焊接中焊接表面熔池的光譜輻射特性的基礎(chǔ)上，確定了拍攝激光焊接中熔池圖像所需濾光片波長(zhǎng)范圍。根據(jù)焊接激光作用在平面鋼板上時(shí)所拍攝的熔池圖像，通過(guò)邊緣提取和圓的擬合，得到了熔池的質(zhì)心。

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